《Atmospheric Environment: X》：Characterization of on-road Emissions of Heavy-duty Vehicles under China VI
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为解决国六标准重型车实际道路排放表现与实验室认证结果存在差异的关键问题，研究人员开展了一项基于便携式排放测试系统（PEMS）的大规模实车测试研究，系统评估了冷启动、低负荷工况及数据处理方法对氮氧化物（NOX）等污染物排放结果的影响。研究结果揭示了国六标准在冷启动排放纳入和有效工作窗口功率阈值设定方面与欧VI标准存在差异，导致NOX排放被低估，尤其是在城市低负荷工况下。该研究强调了在下一阶段标准制定中纳入更严格实际驾驶排放限值的重要性，对推动中国重型车排放精准管控具有重要科学意义。
交通运输是现代社会的动脉，但也已成为全球空气污染的重要源头。从引擎排出的尾气中，含有颗粒物（PM）、氮氧化物（NOX）等有害污染物，它们与心血管疾病、癌症等多种健康问题密切相关。为此，包括中国在内的主要经济体相继出台了日益严格的汽车排放标准。中国的重型车（Heavy-duty Vehicles, HDVs，指总质量超过3.5吨的车辆）排放标准已进入第六阶段（国六），其限值相比前代标准大幅加严。然而，一个“房间里的大象”始终存在：实验室里测试出的漂亮数据，能否代表车辆在真实、复杂多变的道路上奔跑时的真实排放水平？
欧美的大量研究已经证实，重型车的实际道路排放常常远超实验室测试限值。这种差距源于多种因素，例如不同的驾驶条件、海拔，以及一个关键环节——冷启动。发动机在冷车状态下，后处理系统（如用于降低NOX的选择性催化还原系统，SCR）需要时间达到工作温度，在此期间排放控制效率低下。有趣的是，中国的国六标准在便携式排放测试系统（Portable Emissions Measurement System, PEMS）的实际驾驶排放（Real Driving Emissions, RDE）测试中，对冷启动阶段的规定比欧洲的欧VI标准更为宽松。这是否意味着，中国道路上奔跑的重型车的真实排放，可能比我们根据现有测试方法估算的还要高？此外，在PEMS数据处理中，如何划定用于计算排放的有效“工作窗口”，其功率阈值的高低，又会如何影响最终的排放结果？这些问题，在国六标准重型车大规模上路之际，亟需基于大规模实测数据给出科学的答案。
为了回答这些问题，由天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室的研究人员Mingda Wang、Mingming Yang、Rui Zhou、Jing Qin和Yiqiang Pei组成的团队，开展了一项系统性的研究。他们收集并分析了来自40辆符合国六标准的不同类别重型车的PEMS数据，深入探究了冷启动纳入、有效工作窗口功率阈值、以及不同道路工况对一氧化碳（CO）、NOX、颗粒物数量（Particle Number, PN）和二氧化碳（CO2）排放的影响。这项研究不仅填补了中国国六重型车实际道路排放数据稀缺的空白，更从方法论层面厘清了不同测试标准和处理方式对结果的影响，为制定更科学、更精准的“中国式”排放管控政策提供了关键依据。相关研究成果发表在环境科学领域期刊《Atmospheric Environment: X》上。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了几个关键技术方法。首先，研究的核心是便携式排放测试系统（PEMS），具体型号为HORIBA生产的OBS-ONE，它能够实时测量车辆行驶过程中的CO、CO2、NOX和总碳氢化合物（THC）浓度。其次，在数据分析方法上，研究主要采用了移动平均窗口（Moving Average Window, MAW） 技术，以世界统一瞬态驾驶循环（WHTC）的循环功为基准来划定计算窗口，并以窗口排放因子的第90百分位数（90th %ile）作为车辆排放的代表性指标。最后，研究的样本队列来源于40辆国六重型车的PEMS测试数据，这些车辆覆盖了M1、M3、N2和N3四个类别（其中M类主要为客车，N类主要为货车），均配备了柴油氧化催化器（DOC）、颗粒捕集器（DPF）、SCR和氨泄漏催化器（ASC）这一标准后处理配置，测试时负载在50%到100%之间。
研究结果
3.1. 边界条件对测试结果的影响
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3.1.1. 冷启动效应：分析表明，包含冷启动排放数据会显著提高全程平均NOX排放值，其中M3类车辆增加约200%。更重要的是，当应用欧VI标准的计算方法（以包含冷启动数据的最大MAW排放值为准）时，N2和N3类车辆的NOX排放增加了约100%到150%。这凸显了欧VI标准在合规性测试中对冷启动排放有更严格的要求。相比之下，CO和PN的排放受冷启动数据纳入的影响很小。研究还发现，对于测试的车辆，冷启动阶段的持续时间对最终基于MAW的排放结果影响甚微，因为NOX排放在发动机运行约600秒（对应冷却液温度达到50°C，后处理系统温度接近完全热机状态）后即趋于稳定。
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3.1.2. 窗口平均功率阈值的影响：研究考察了将有效MAW窗口的平均功率阈值从20%最大功率降低到10%的影响。对于N2车辆，降低功率阈值会纳入更多低负荷工况数据，导致NOX排放显著增加。当阈值降至15%时，已有车辆“e”和“g”超出实验室NOX排放限值；降至10%时，更有包括车辆“b”、“e”、“g”、“l”、“m”在内的五辆车超标。这是因为低负荷下排气温度较低，SCR转化效率下降。而对于N3车辆，降低功率阈值对NOX排放影响很小，仅车辆“o”排放显著增加并超标。CO排放随阈值降低仅有小幅增加，PN排放则略有下降。
3.2. 测试路线条件对排放结果的影响
对N2和N3车辆测试期间窗口平均功率分布的分析揭示了关键差异。N2车辆由于城市驾驶比例高（45%），超过50%的窗口平均功率在0%到20%之间，低负荷窗口比例很大。而N3车辆城市驾驶比例低（20%），超过50%的窗口平均功率超过20%，低负荷窗口很少。这解释了为何降低功率阈值对N3车辆排放影响微弱。进一步分析城市工况的排放贡献发现，虽然城市运行时间占比在N2和N3车中分别为45%和20%，但其产生的NOX排放份额却远超此比例。这表明重型车的NOX排放对城市空气质量有着不成比例的突出影响。
3.3. CO2特征分析
研究发现，N2和N3车辆在不同路况下的燃料消耗和发动机热效率差异不大。城市工况因发动机低负荷运行、热效率低，导致单位功的CO2比排放最高；而高速路况下比排放最低。但在考虑载重后，以克/吨公里（g/t-km）计的CO2比排放显示，N3车辆的排放低于N2车辆，且两类车均在乡村路况下排放最低。
研究结论与意义
本研究通过对40辆国六重型车实际道路排放的系统评估，得出了若干重要结论。首先，CO排放受MAW平均功率阈值和路况影响很小，但计入冷启动阶段后，M3、N2、N3类车辆排放增加约10%，M1类增加超50%。其次，NOX排放仅在应用欧VI计算方法时会显著增加，但总体上仍低于限值；然而，将有效窗口平均功率阈值降至10%会显著推高N2车辆的NOX排放，导致部分车辆超标。第三，全程排放分析表明，N2和N3车辆在城市运行中单位时间的NOX排放份额远高于其他驾驶模式，城市运行是其主要来源。第四，冷启动和有效窗口功率阈值调整对PN排放影响甚微，最高PN排放出现在高速路段。第五，N2和N3车辆的燃油经济性接近，高速行驶时CO2排放最低；计入载重后，N3车辆的CO2排放效率（g/t-km）优于N2车辆。第六，比较而言，欧VI标准因纳入冷启动排放数据进行评估，对所有重型车、特别是NOX排放提出了更严格的要求。
这些发现具有重要的政策启示和实践意义。研究明确指出，中国重型车在低负荷运行条件和冷启动阶段会产生显著排放，而现行的国六PEMS测试方法（在冷启动纳入和有效窗口功率阈值方面比欧标宽松）可能导致实际排放被低估。这警示我们，不能仅满足于实验室达标的“纸上成绩”，更需关注车辆在复杂真实环境中的“实战表现”。因此，在制定下一阶段排放标准时，必须结合车辆冷启动阶段的排放数据，设定更严格的合规限值。同时，亟需开发适用于中国重型车低负荷运行特征的排放测试循环及相应的限值标准。这项研究为中国重型车排放管控从“实验室导向”迈向“真实道路导向”提供了关键的数据支撑和科学路径，对于持续改善空气质量、保障公众健康具有重要意义。
